(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に水平方向に延在する面燃焼バーナを備えた燃焼室が配置されるとともに当該燃焼室の下方に上記面燃焼バーナの燃焼ガスが流下する略方形箱状の熱交換室が形成された燃焼炉と、この燃焼炉の上下部に各々配置された上部ヘッダーおよび下部ヘッダーと、これら上下部ヘッダーに各々上下端部が接続されるとともに上記熱交換室内に上記面燃焼バーナの延在方向に間隔をおいて複数形成されて内部に水が供給される貯水室と、この貯水室の外壁に上下方向および水平方向に間隔をおいて設けられ、上記熱交換室内に水平方向に突出する複数本の伝熱フィンと、上記熱交換室の下部に上記面燃焼バーナの延在方向に設けられて当該熱交換室を経た上記燃焼ガスが流入する煙室箱と、この煙室箱の端部から上方に延びる排気管とを備えたボイラにおいて、
上記煙室箱を、上記熱交換室下部の一辺部から鉛直方向に当該煙室箱の底部まで垂下する縦壁と、上記辺部の対向辺部から当該煙室箱の上記底部に向けて漸次上記縦壁側に接近する傾斜壁と、これら縦壁と傾斜壁との間の両端部を塞ぐ端壁とを有する側面視略直角三角形状に形成したことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
上記排気管に、二重排気管が介装されているとともに、当該二重排気管の内管と外管との間には、吸音材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
【請求項３】
上記傾斜壁の水平方向に対する傾斜角度をθとし、かつ上記煙室箱の底面から上記面燃焼バーナの中心までの高さ寸法をＨ（ｍｍ）としたときに、上記傾斜角度θが１０°〜３０°の範囲であって、かつ上記高さ寸法Ｈが２．５θ＋４２５＜Ｈ＜２θ＋４７０の範囲、または上記傾斜角度θが３０°〜３５°の範囲であって、かつ上記高さ寸法Ｈが５００＜Ｈ＜５３０の範囲となるように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のボイラ。
【請求項４】
上記煙室箱の底部に、ドレン管が接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯などの熱源として用いられるボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、給湯などの熱源として用いられるボイラには、高効率、低Ｎｏｘ、低ＣＯ２、低騒音等の環境対応が要請されており、これに伴って負荷調整領域を拡大した広い燃焼ターンダウンを有する面燃焼の比例バーナが多用されつつある。
【０００３】
ところで、このような比例バーナを用いたボイラにあっては、入力が３０％以下の燃焼時において、供給空気量に対する背圧バランスが崩れたりなどして火炎がリフトし、常時笛吹音が発生する傾向にある。そして、当該笛吹音が騒音になるとともに、さらに当該笛吹音の波長が、ボイラの燃焼炉内の寸法諸元の複数倍に合致する振動数（Ｈｚ）になると、いわゆる共鳴現象が生じて、当該騒音が助長されることになる。
【０００４】
なお、下記特許文献１には、この種の比例バーナを用いたボイラおよびその問題点が開示されている。
【０００５】
そこで、上記笛吹音に起因する騒音の発生を防止するために、バーナの吸い込み口側に抵抗を設けるなどして燃焼風量の調整を行うと、逆に高燃焼の際に燃焼風量が不足になるという問題点があった。他方、バーナの下流側に所定の背圧を保持して上記騒音の発生を防止すべく、燃焼炉の下流側の煙室箱側の容量等を調整しようとすると、この煙室箱が過度に大きなものになり、ボイラ全体の小型化に逆行するという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２４９４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造によって、面燃焼バーナの火炎リフトによる笛吹音およびこれに起因する騒音の発生を防止し得るボイラを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明は、上部に水平方向に延在する面燃焼バーナを備えた燃焼室が配置されるとともに当該燃焼室の下方に上記バーナの燃焼ガスが流下する略方形箱状の熱交換室が形成された燃焼炉と、この燃焼炉の上下部に各々配置された上部ヘッダーおよび下部ヘッダーと、これら上下部ヘッダーに各々上下端部が接続されるとともに上記熱交換室内に上記面燃焼バーナの延在方向に間隔をおいて複数形成されて内部に水が供給される貯水室と、この貯水室の外壁に上下方向および水平方向に間隔をおいて設けられ、上記熱交換室内に水平方向に突出する複数本の伝熱フィンと、上記熱交換室の下部に上記面燃焼バーナの延在方向に設けられて当該熱交換室を経た上記燃焼ガスが流入する煙室箱と、この煙室箱の端部から上方に延びる排気管とを備えたボイラにおいて、上記煙室箱を、上記熱交換室下部の一辺部から鉛直方向に当該煙室箱の底部まで垂下する縦壁と、上記辺部の対向辺部から当該煙室箱の上記底部に向けて漸次上記縦壁側に接近する傾斜壁と、これら縦壁と傾斜壁との間の両端部を塞ぐ端壁とを有する側面視略直角三角形状に形成したことを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記排気管に、二重排気管が介装されているとともに、当該二重排気管の内管と外管との間には、吸音材が充填されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記傾斜壁の水平方向に対する傾斜角度をθとし、かつ上記煙室箱の底面から上記バーナの中心までの高さ寸法をＨ（ｍｍ）としたときに、上記傾斜角度θが１０°〜３０°の範囲であって、かつ上記高さ寸法Ｈが２．５θ＋４２５＜Ｈ＜２θ＋４７０の範囲、または上記傾斜角度θが３０°〜３５°の範囲であって、かつ上記高さ寸法Ｈが５００＜Ｈ＜５３０の範囲となるように形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記煙室箱の底部に、ドレン管が接続されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１〜４のいずれかに記載の発明によれば、熱交換室を経た燃焼ガスが流入する煙室箱を、上記熱交換室下部の一辺部から鉛直方向に当該煙室箱の底部まで垂下する縦壁と、上記辺部の対向辺から当該煙室箱の底部に向けて漸次上記縦壁側に接近する傾斜壁と、これら縦壁と傾斜壁との両端部間を塞ぐ端壁とを有する側面視略直角三角形状に形成しているために、コンパクトな構成によって、面燃焼バーナの全長にわたって燃焼室の下流側に所望の背圧を均一に形成することができ、これにより、例えば入力が３０％以下の低燃焼時においても、リフト燃焼を防止して笛吹音の発生を抑制することができる。
【００１３】
さらに、熱交換室が方形箱状に形成されているにも拘わらず、下方の煙室箱に、上記面燃焼バーナの延在方向に沿って傾斜壁を形成しているために、燃焼室に水平方向に設けられた面燃焼バーナから煙室箱の底部までの長さ寸法が、上記面燃焼バーナの延在方向と直交する方向において相違する。このため、一定の振動数における共鳴現象の発生を抑止することができ、よって低燃焼時に笛吹音が生じた場合においても、その共鳴による騒音の発生を防止することができる。
【００１４】
加えて、請求項２に記載の発明によれば、上記排気管に二重排気管を介装し、かつ当該二重排気管の内管と外管との間に吸音材を充填しているために、高燃焼時における騒音を５〜１０ｄＢ程度、低減することができる。
【００１５】
ところで、本発明者等の実験によれば、入力が３０％以下の低燃焼時に、上記笛吹音を全く無くすことは困難である。この際に、当該笛吹音は、特に３１５Ｈｚ帯域において６０ｄＢを超えて突出する傾向が見られた。
そこで、後述する実施例において詳述するように、上記傾斜壁の水平方向に対する傾斜角度をθとし、かつ上記煙室箱の底面から面燃焼バーナの中心までの高さ寸法をＨ（ｍｍ）としたときに、これらθおよびＨを変化させることにより、上記笛吹音による騒音の音圧レベルが変化することを見出した。
【００１６】
そして、実用上、問題を生じない騒音の音圧レベル範囲の判断基準として、３１５Ｈｚ帯域におけるＣ特性の音圧レベルが６０ｄＢ（Ｃ）以下であって、かつ全騒音値（ALLPASS）のＡ特性による音圧レベルが６０ｄＢ（Ａ）以下であることを設定し、当該判断基準を充足し得る上記高さ寸法Ｈおよび傾斜角度θの範囲を検証したところ、請求項３に記載の発明において特定する範囲内において、当該判断基準を充足し得るとの知見を得た。すなわち、請求項３に記載の発明によれば、笛吹音が生じる低燃焼時においても、確実に、実用上問題のない騒音の音圧レベル内に保持することが可能になる。
【００１７】
また、このボイラは、正面視において、面燃焼バーナから排出された燃焼ガスが、燃焼室から熱交換室に流下して煙室箱に流入し、この煙室箱の端部から排気管を上方に略Ｕ字状に流れる構造であることに加えて、さらに煙室箱に、その底部に向けて漸次縦壁側に接近する傾斜壁を形成しているために、請求項４に記載の発明のように、上記煙室箱の底部に、ドレン管を接続することにより、熱交換室における燃焼ガスからの潜熱回収時に発生するドレン水を、複雑なドレン漏れ処理を行うことなく、容易かつ確実に煙室箱の底部において収集して外部に排水することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るボイラの一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】本発明の効果を検証するために行った実施例の結果を示す図表である。
【図４】図３の低騒音の判断基準内となる傾斜角度と高さ寸法との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係るボイラの他の実施形態を示す正面図である。
【図６】図５の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１および図２は、本発明に係るボイラを、無圧式温水機のボイラに適用した一実施形態を示すもので、図中符号１が、上部に燃焼室２が形成されるとともに、この燃焼室２の下部に熱交換室３が形成された燃焼炉である。
この燃焼炉１は、図１に示す操作側から見た正面図において、左右方向に長手方向を有するもので、熱交換室３は略方形箱状に形成されている。また、この熱交換室３の上側の燃焼室２は、頂部に向けて漸次中央部側に傾斜する傾斜面２ａによって形成されている。
【００２０】
そして、この傾斜面２ａに、面燃焼比例バーナ４が設けられている。この面燃焼比例バーナ４は、給気ファン４ｂから供給される燃焼用空気によって、図示されない燃料ラインから供給される気体燃料を、傾斜面２ａの内壁に設けたバーナ部４ａにおいて燃焼させるものである。このバーナ部４ａは、燃焼火炎を半円筒形の網目から燃焼室２内に斜め下方に向けて噴出させるもので、その軸線を傾斜面２ａにおける上記長手方向に向けて水平に配置されている。
【００２１】
また、この燃焼炉１における燃焼室２の頂部には、上記長手方向に沿って管状の上部ヘッダー５が設けられ、熱交換室３の前面（操作面）側の下部角隅部には、上記長手方向に沿って管状の下部ヘッダー６が設けられている。他方、熱交換室３の内部は、当該熱交換室３内を上記長手方向に区画する複数の壁部７ａが形成されており、これら壁部７ａによって複数（図では５つ）の貯水室７がバーナ部４ａの延在方向に間隔をおいて並列的に形成されている。そして、各貯水室７の上下端部が、各々上部ヘッダー５および下部ヘッダー６に接続されている。
【００２２】
また、熱交換室３の貯水室７間には、燃焼室２に連通する燃焼ガスの流路３ａが形成されている。そして、貯水室７を画成する壁部７ａの外壁には、燃焼ガスの流路３ａ側に水平方向に突出する複数本の棒状の伝熱フィン８が、上下方向および水平方向に間隔をおいて植設されている。
【００２３】
また、上部ヘッダー５の吐出側と下部ヘッダー６の吸入側との間には、循環ポンプ９および熱交換器１０が介装された循環ライン１１が設けられており、熱交換器１０には、給水ライン１２と、この熱交換器１０において加熱された温水を給湯設備に送る給湯ライン１３とが接続されている。さらに、上部ヘッダー５には、水を補給するための補給タンク１４が接続されている。なお、図中符号１４ａは、補給タンク１４の所定レベル位置に設けられた溢水孔である。
【００２４】
他方、熱交換室３の下方には、当該熱交換室３を流下した燃焼ガスが流入する煙室箱１５が配置されている。この煙室箱１５は、図２に示すように、熱交換室３の前面下部の辺部３ｂから鉛直方向に底面１５ａまで垂下する縦壁１５ｂと、熱交換室３の後面下部の辺部３ｃ（対向辺部）から底面１５ａに向けて漸次縦壁１５ｂ側に接近する傾斜壁１５ｃとを有することにより、略直角三角形状に形成されている。
【００２５】
また、この煙室箱１５は、一端部が熱交換室３の下部から燃焼炉１の側方に延出するように形成されており、その両端部が端壁１５ｄによって塞がれている。そして、ボイラにおいては、図２に示すように、煙室箱１５の傾斜壁１５ｃの水平方向に対する傾斜角度をθとし、かつ底面１５ａから面燃焼バーナ４のバーナ部４ａの中心までの高さ寸法をＨ（ｍｍ）としたときに、傾斜角度θが１０°〜３０°の範囲であって、かつ高さ寸法Ｈが２．５θ＋４２５＜Ｈ＜２θ＋４７０の範囲、または傾斜角度θが３０°〜３５°の範囲であって、かつ高さ寸法Ｈが５００＜Ｈ＜５３０の範囲となるように形成されている。
【００２６】
さらに、煙室箱１５の底面１５ａには、ドレン管１９が接続されている。
他方、煙室箱１５の燃焼炉１からの延出部分の上面に延びる排気管１６の下端部が接続されている。この排気管１６は、煙室箱１５の上面から上方部分が、内管１７ａと外管１７ｂとを備えた二重排気管１７によって構成されており、これら内管１７ａと外管１７ｂとの間には、吸音材１８が充填されている。ここで、二重排気管１７の内管１７ａの横断面積は、煙室箱１５の燃焼ガス流路断面積よりも小さくなるように設定されている。
【００２７】
以上の構成からなるボイラにおいては、面燃焼比例バーナ４に燃焼用空気および気体燃料を供給してバーナ部４ａにおいて燃焼させ、その燃焼ガスを燃焼室２から熱交換室３内の流路３ａを流下させることにより、伝熱フィン８を利用して貯水室７内の水を加熱するとともに、これと併行して循環ポンプ９によって、加熱媒体となった上部ヘッダー６内の高温水を熱交換器１０に送り、給水ライン１２から供給される給水を加熱して、得られた温水を給湯ライン１３へと供給する。他方、熱交換室３において、貯水室７内の水と熱交換した燃焼ガスは煙室箱１５内に流入し、さらに排気管１６、１７を介して排出されて行く。
【００２８】
この際に、上記ボイラによれば、燃焼ガスの流路３ａに、貯水室７の外壁７ａに植設された多数の伝熱フィン８が突出しているために、高い熱交換率を得ることができるとともに、当該燃焼ガスの顕熱に加えて、これがドレン化する際に発生する潜熱も回収することができる。また、加熱手段として、面燃焼比例バーナ４を用い、かつバーナ部４ａからの火炎を傾斜面２ａから燃焼室２内へ斜め下方に向けて噴出させているために、当該火炎長が短いことと相まって、伝熱フィン８が直接火炎に曝されることがない。
【００２９】
さらに、上記ボイラによれば、熱交換室３を経た燃焼ガスが流入する煙室箱１５を、縦壁１５ｂと、その対向辺３ｃから煙室箱１５の底面１５ａに向けて漸次縦壁１５ｂ側に接近する傾斜壁１５ｃとを有する側面視略直角三角形状に形成しているために、コンパクトな構成によって、面燃焼比例バーナ４の全長にわたって、燃焼室２の下流側に所望の背圧を均一に形成することができ、これにより低燃焼時においても、リフト燃焼を防止して笛吹音の発生を抑制することができる。
【００３０】
また、下方の煙室箱１５に、面燃焼比例バーナ４の延在方向に沿って傾斜壁１５ｃを形成しているために、図２に示すように、熱交換室３が方形箱状に形成されていても、面燃焼比例バーナ４から煙室箱１５の底部までの高さ寸法が、面燃焼比例バーナ４の延在方向と直交する方向（すなわち、ボイラの前後方向）において相違する。このため、一定の振動数における燃焼ガスの流路内での共鳴現象の発生を抑止することができ、よって低燃焼時に笛吹音が生じた場合においても、その共鳴による騒音の助長を防止することができる。
【００３１】
加えて、排気管１６に二重排気管１７を介装し、当該二重排気管１７の内管１７ａの横断面積を、煙室箱１５の燃焼ガス流路断面積よりも小さくなるように設定しているために、全ての燃焼領域における低騒音化を図ることができるとともに、さらに内管１７ａと外管１７ｂとの間に吸音材１８を充填しているために、高燃焼時における騒音も５〜１０ｄＢ程度、低減することができる。
【００３２】
しかも、煙室箱１５の傾斜壁１５ｃの傾斜角度θが１０°〜３０°の範囲であって、かつ底面１５ａから面燃焼バーナ４のバーナ部４ａの中心までの高さ寸法をＨ（ｍｍ）が２．５θ＋４２５＜Ｈ＜２θ＋４７０の範囲、または傾斜角度θが３０°〜３５°の範囲であって、かつ高さ寸法Ｈが５００＜Ｈ＜５３０の範囲となるように形成しているために、後述するように、笛吹音が生じる低燃焼時においても、３１５Ｈｚ帯域におけるＣ特性の音圧レベルが６０ｄＢ（Ｃ）以下であって、かつ全騒音値（ALL PASS）のＡ特性による音圧レベルが６０ｄＢ（Ａ）以下といった実用上問題を生じない音圧レベル内に保持することができる。
【００３３】
また、このボイラは、図１に示す正面視において、面燃焼比例バーナ４から排出された燃焼ガスが、燃焼室２から熱交換室３の流路３ａに流下して煙室箱１５に流入し、この煙室箱１５の端部から排気管１６を上方に略Ｕ字状に流れる構造であることに加えて、さらに、図２に示すように、煙室箱１５に、底面１５ａに向けて漸次縦壁１５ｂ側に接近する傾斜壁を形成しているために、煙室箱１５の底面１５ａにドレン管１９を接続することにより、熱交換室３における燃焼ガスからの潜熱回収時に発生するドレン水を、複雑なドレン漏れ処理を行うことなく、容易かつ確実に煙室箱１５の底部において収集して外部に排水することができる。
【００３４】
なお、上記実施形態は、本発明に係るボイラを、無圧式温水機のボイラに適用した場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図５および図６に示すように、下部ヘッダー６に直接給水ライン１２が接続されるとともに、上部ヘッダー５から加圧された温水が直接給湯ライン１３に送られる加圧式のボイラにも同様に適用することが可能である。
【００３５】
また、上記実施形態においては、上記煙室箱１５の前面側に縦壁１５ｂを設け、後面側に底面１５ａに向けて漸次前面側の縦壁１５ｂ側に接近する傾斜壁１５ｃを設けた場合について示したが、本発明はこれに限るものではなく、逆に上記煙室箱の後面側に縦壁を設け、前面側に、同様にして底面に向けて漸次後面側の縦壁側に接近する傾斜壁を設けても同様の作用効果を得ることが可能である。
【実施例】
【００３６】
入力が１２０ｋｗのボイラについて、入力２３％の負荷時において、上述した高さ寸法Ｈおよび傾斜壁１５ｃの傾斜角度θを変化させた場合に発生する騒音の音圧レベルを、ボイラ前面側の高さ１ｍの位置において等価音圧レベルによって測定した。なお、騒音の音圧レベルは、１０秒間測定した結果である。
【００３７】
図３は、この結果を示すものであり、問題を生じない騒音の音圧レベル範囲の判断基準として、３１５Ｈｚ帯域におけるＣ特性の音圧レベルが６０ｄＢ（Ｃ）以下であって、かつ全騒音値（ALL PASS）のＡ特性による音圧レベルが６０ｄＢ（Ａ）以下であることを設定した。そして、当該判断基準に合致した高さ寸法Ｈおよび傾斜角度θの欄を丸印で示し、当該判断基準から外れた欄を×印で示した。
【００３８】
そして、上記結果を、図４に示すように、高さ寸法Ｈを縦軸とし、傾斜角度θを横軸としてプロットしたところ、図３において上記判断条件に合致した高さ寸法Ｈおよび傾斜角度θの組み合わせ（丸印）は、下限線と上限線とに挟まれる領域にあり、上記判断条件に合致しない組み合わせ（×印）については、いずれも上記領域を外れた位置にあることが判明した。
【００３９】
ちなみに、下限線は、傾斜角度θが１０°〜３０°の範囲においては、高さ寸法Ｈ＝２．５θ＋４２５であり、傾斜角度θが３０°〜３５°の範囲においては、高さ寸法Ｈ＝５００である。また、上限線は、傾斜角度θが１０°〜３０°の範囲においては、高さ寸法Ｈ＝２θ＋４７０であり、傾斜角度θが３０°〜３５°の範囲においては、高さ寸法Ｈ＝５３０である。
【００４０】
したがって、これら（θ、Ｈ）の組み合わせが、上記下限線と上限線との間の領域になるように当該ボイラの諸元を設定することにより、笛吹音が生じる低燃焼時においても、３１５Ｈｚ帯域におけるＣ特性の音圧レベルが６０ｄＢ（Ｃ）以下であって、かつ全騒音値（ALL PASS）のＡ特性による音圧レベルが６０ｄＢ（Ａ）以下といった実用上問題を生じない音圧レベル内に保持することができることが実証された。
【符号の説明】
【００４１】
１  燃焼炉
２  燃焼室
３  熱交換室
４  面燃焼比例バーナ
４ａ  バーナ部
５  上部ヘッダー
６  下部ヘッダー
７  貯水室
８  伝熱フィン
１５  煙室箱
１５ａ  底面（底部）
１５ｂ  縦壁
１５ｃ  傾斜壁
１５ｄ  端壁
１６  排気管
１７  二重排気管
１８  吸音材
１９  ドレン管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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